6061鋁合金熱變形行為與熱加工圖

王海龍，梁衛(wèi)抗，王乾廷，林光磊

(1.福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建省新材料制備與成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118；3.福建省精確成型制造工程研究中心，福建 福州 350118 ；4.福建省南平鋁業(yè)股份有限公司，福建 南平 353000)

本研究基于Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)，開展6061鋁合金的等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了雙曲正弦Arrhenius本構(gòu)方程，并構(gòu)建了不同應(yīng)變條件下的熱加工圖，旨在為6061鋁合金的熱加工工藝制定和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料選擇6061鋁合金，其化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。選擇φ8×12 mm的圓柱試樣在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上開展等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前在試樣的端面增加二硫化鉬和石墨薄片作為潤滑介質(zhì)，以降低試樣與壓頭接觸面之間的摩擦。根據(jù)6061鋁合金材料的加工特性和企業(yè)提供的工藝參數(shù)范圍，選擇變形溫度為350、400、450和500 ℃，應(yīng)變速率為0.01 、0.1 、1 和10 s-1。實(shí)驗(yàn)前，將試樣以2 ℃/s的加熱速率加熱至實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，保溫4 min使試樣組織均勻化，在應(yīng)變速率為0.01 、0.1 、1 和10 s-1下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，最大壓縮量為60 %，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即對(duì)試樣進(jìn)行水淬，以保全高溫變形組織。將壓縮試樣沿軸向切開，經(jīng)打磨、機(jī)械拋光，采用HF 1.5 mL、H3PO430 mL和H2O 60 mL配比的腐蝕劑腐蝕約1 min，并在MV5000光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

6061鋁合金在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可知，在相同變形溫度條件下，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而增加，這是因?yàn)閼?yīng)變速率的增加，單位時(shí)間內(nèi)的變形量和位錯(cuò)的數(shù)量也快速增加，造成大量位錯(cuò)相互纏結(jié)進(jìn)而阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得金屬抗變形能力提高，因此，流變應(yīng)力也增加[3]。在相同應(yīng)變速率條件下，流變應(yīng)力隨變形溫度升高而降低，這是因?yàn)椴牧系臒峒せ钅芎驮觾?nèi)能隨溫度升高而增加，導(dǎo)致阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力降低，使得金屬抗變形能力減弱，有利于材料變形，流變應(yīng)力降低[7]。

由圖1(a)可知，除了變形溫度為450、500 ℃外，6061鋁合金發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象。流變應(yīng)力在變形初期階段增長速率快，這是由于材料內(nèi)部的位錯(cuò)數(shù)量隨變形量的增加而增加，導(dǎo)致大量位錯(cuò)纏結(jié)并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，且在此階段動(dòng)態(tài)軟化率低于加工硬化率，因此，流變應(yīng)力增加。當(dāng)流變應(yīng)力到達(dá)峰值應(yīng)力后，材料出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象，這是因?yàn)殡S著變形量的增加，材料內(nèi)部的變形儲(chǔ)能也不斷增加，為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和回復(fù)的出現(xiàn)提供能量，使動(dòng)態(tài)軟化率高于加工硬化率，導(dǎo)致流變應(yīng)力降低。隨著變形量的增加，流變應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，說明加工硬化率和動(dòng)態(tài)軟化率處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。從圖1(c)(d)可見，在應(yīng)變量超過0.1后，除400 ℃外，流變應(yīng)力緩慢增加，這是因?yàn)楦邞?yīng)變速率下材料變形時(shí)間變短，動(dòng)態(tài)回復(fù)進(jìn)行不充分或者沒有出現(xiàn)，導(dǎo)致不能完全克服加工硬化的影響。另外在高應(yīng)變速率下大量位錯(cuò)出現(xiàn)纏結(jié)，嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而增加流變應(yīng)力。

圖1 6061鋁合金在不同應(yīng)變速率條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 Arrhenius本構(gòu)方程

Arrhenius本構(gòu)方程是用來描述材料在熱變形過程中溫度、應(yīng)變速率與流變應(yīng)力之間的關(guān)系，其表達(dá)式為[8]：

(1)

(2)

(3)

采用最小二乘法線性擬合求解Arrhenius本構(gòu)方程中α、n、Q和A參數(shù)的值。對(duì)式(2)(3)兩邊分別取對(duì)數(shù)可得：

(4)

(5)

假設(shè)熱變形激活能Q與溫度無關(guān)，對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得：

(6)

圖2 Arrhenius本構(gòu)方程參數(shù)求解

變換式(6)可得：

(7)

6061鋁合金Arrhenius本構(gòu)方程為：

exp(162.462/5.208RT)]

(8)

2.3 6061鋁合金試樣熱壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬

在Deform軟件材料庫中重新定義6061鋁合金材料的Arrhenius本構(gòu)方程參數(shù)。選取6061鋁合金試樣在溫度450 ℃、應(yīng)變速率1 s-1以及應(yīng)變量0.91的熱壓縮過程進(jìn)行模擬分析。

試樣在熱壓縮后其外形為腰鼓形，這是由于壓頭與試樣端面存在摩擦力，導(dǎo)致試樣沿徑向變形，產(chǎn)生腰鼓現(xiàn)象，測(cè)量并計(jì)算實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真分析試樣最大腰鼓直徑的平均值分別為12.933 和13.019 mm，誤差為0.66 %；實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真分析試樣上端面直徑平均值分別為11.86 和11.553 mm，誤差為2.66 %；而試樣下端面直徑平均值分別為12 和11.582 mm，誤差為3.61 %。

將圖3(a)載荷-行程曲線通過式(9)和式(10)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3(b)所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

(9)

(10)

式中，l0為試樣原始高度，mm；△l為試樣壓縮高度，mm；F為載荷，N；r為試樣的原始半徑，mm。

由圖3可知，實(shí)驗(yàn)與仿真分析的載荷-行程曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本一致。圖3(a)中的載荷在行程為0.5 ～ 4 mm的區(qū)間偏差相比其他區(qū)域大，平均誤差為6.54 %。這是因?yàn)閷?shí)際壓縮過程的摩擦系數(shù)是變化的，而數(shù)值模擬軟件中設(shè)定的摩擦系數(shù)是定值，導(dǎo)致兩者出現(xiàn)一定偏差，這也引起應(yīng)力出現(xiàn)偏差，如圖3(b)所示。應(yīng)力在應(yīng)變0.04 ～ 0.4的區(qū)間，數(shù)值模擬的應(yīng)力值高于實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力值，兩者的平均誤差約3 %。這是由載荷和壓縮高度兩者的偏差共同引起的。因而，本文建立的Arrhenius本構(gòu)方程能較好地描述6061鋁合金材料的高溫流變行為。

2.4 6061鋁合金熱加工圖建立與分析

動(dòng)態(tài)材料模型中材料吸收的能量主要以兩種方式耗散：一是材料發(fā)生塑性變形所消耗的能量，用G表示；二是材料變形過程組織演變消耗的能量，用J表示[9]。

(11)

應(yīng)變速率敏感指數(shù)m表達(dá)式如下：

(12)

Murty提出了任意類型的流變失穩(wěn)準(zhǔn)，則G的積分可以轉(zhuǎn)化為[17]：

(13)

熱變形過程中，材料微觀組織演變所消耗能量的功率大小，可通過定義無量綱的能量耗散效率參數(shù)η表征。

(14)

理論上能量散耗率η越大，材料加工越容易，而在能量散耗率較高的情況下也可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，能量散耗率η不能完全體現(xiàn)材料加工的好壞。需要對(duì)熱加工圖進(jìn)一步補(bǔ)充，Murty提出材料失穩(wěn)的判據(jù)條件如式(15)。

2m/η-1<0

(15)

6061鋁合金在不同應(yīng)變下的熱加工圖如圖4所示。圖中數(shù)值表示能量散耗率，陰影部分表示流變失穩(wěn)區(qū)域。由圖4可知，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)，熱加工圖中沒有出現(xiàn)能量散耗率峰值，但出現(xiàn)一條山脊，能量散耗率在31 %左右。當(dāng)應(yīng)變分別為0.4、0.6和0.8時(shí)，6061鋁合金的熱加工圖有且僅有一個(gè)峰值，即變形溫度460 ～ 500 ℃，應(yīng)變速率0.1 ～ 0.5 s-1，其能量散耗率在33 % ～ 36 %之間，且峰值區(qū)域在應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)的山脊區(qū)域處。由圖4可知，流變失穩(wěn)區(qū)域主要集中在高應(yīng)變速率區(qū)，且流變失穩(wěn)區(qū)域隨著應(yīng)變?cè)黾佣鴶U(kuò)散。在變形溫度較低時(shí)，可能產(chǎn)生熱黏塑性失穩(wěn)而形成絕熱剪切，導(dǎo)致低溫區(qū)域可加工范圍較窄。而低溫高應(yīng)變速率下，由于材料內(nèi)部因變形產(chǎn)生的熱量在短時(shí)間內(nèi)無法擴(kuò)散至其他區(qū)域，溫度分布不均勻，進(jìn)一步影響該合金在發(fā)生塑性變形時(shí)微觀組織分布，導(dǎo)致該區(qū)域的能量散耗率較低。因此，6061鋁合金最佳工藝參數(shù)范圍為：變形溫度460 ～ 500 ℃，應(yīng)變速率0.1 ～ 0.5 s-1。

圖4 不同應(yīng)變下的熱加工圖

試樣在不同變形條件下壓縮后的組織分別如圖5所示。從圖5可見，組織沿軸向被壓扁，沿徑向被拉長。圖5(a)中晶粒組織細(xì)小且狹長，分布較為均勻，這是因?yàn)樵撟冃螚l件下，材料的熱激活能和驅(qū)動(dòng)力低，難以滿足動(dòng)態(tài)再結(jié)晶出現(xiàn)的條件。由圖5(b)(c)可知，組織沿軸向被壓縮的程度減小，且分布越來越均勻，并出現(xiàn)細(xì)小的晶粒，表明在這兩種變形條件下存在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。從圖5(d)可以看出，在該變形條件下組織分布不均勻，靠近試樣中部的組織呈纖維狀，且晶界變得模糊，靠近端部的組織粗大，且分布不均勻，這是因?yàn)榭拷嚇又胁繀^(qū)域的變形量較大，而靠近端部的變形量小，且高應(yīng)變速率下析出相聚集在被壓扁的晶界附近，這將降低晶界的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，影響材料的力學(xué)性能[10]。結(jié)合熱加工圖可知，變形溫度500 ℃，應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)的能量散耗率高，且組織分布均勻，材料的力學(xué)性能最好。

圖5 不同變形條件下壓縮后的組織

3 結(jié)論

1) 在應(yīng)變速率一定的條件下，6061鋁合金流變應(yīng)力隨溫度升高而降低；在溫度一定條件下，6061鋁合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而增加。

2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得峰值應(yīng)變時(shí)的熱激活能為162.462 kJ/mol，建立了雙曲正弦Arrhenius本構(gòu)方程：

exp(162.462/5.208RT)]

3)由6061鋁合金試樣熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果可知，建立的Arrhenius本構(gòu)方程能較好地描述6061鋁合金的高溫流變行為。

4) 基于動(dòng)態(tài)材料模型理論和Murty準(zhǔn)則，建立了6061鋁合金在不同應(yīng)變條件下的熱加工圖，結(jié)合顯微組織表征，得到6061鋁合金最佳工藝參數(shù)范圍：變形溫度460 ～ 500 ℃，應(yīng)變速率0.1 ～ 0.5 s-1。